硼磷硅玻璃在集成电路中的应用

作者：应用材料（中国）公司 杜明珠

欢迎访问e展厅 展厅 18 新型电子材料展厅 导电膏, 导电胶, 导电胶带, 导电粉, 热电材料, ... 硼磷硅玻璃（Boro-phospho-silicate Glass, BPSG），即掺杂了硼和磷的二氧化硅作为第一层金属前介电质（PMD）以及金属层间介电质（IMD）在IC制造中有着广泛的应用。二氧化硅原有的有序网络结构由于硼磷杂质（B2O3，P2O5）的加入而变得疏松，在高温条件下某种程度上具有像液体一样的流动能力（Reflow）。因此BPSG薄膜具有卓越的填孔能力，并且能够提高整个硅片表面的平坦化，从而为光刻及后道工艺提供更大的工艺范围。 在0.18微米及更低节点技术中，随着半导体器件尺寸的逐渐减小，PMD所要填充的孔洞宽度也越来越小，高宽比越来越大，填孔能力成为选用PMD薄膜的主要考虑参数。因此，BPSG薄膜在先进的半导体器件尤其是DRAM产品中主要作为PMD薄膜被广泛应用。BPSG薄膜的制备方法有两种，等离子体增强化学气相沉积（PECVD）和次大气压化学气相沉积（SACVD）。尽管PE－BPSG薄膜具有沉积速度快，薄膜致密，均匀性好等一系列优点，但由于SA－BPSG薄膜具有更为优越的填孔能力, 这主要是因为PECVD工艺通常的压力在10Torr以下，而SACVD工艺压力在200-600Torr之间，分子的平均自由程更小，填孔能力更好，所以BPSG薄膜制备主要采用SACVD工艺方法。除此之外，SACVD是热降解的工艺，没有使用射频所产生的等离子体，因而避免了等离子体引起的器件损伤。 制备SA－BPSG薄膜的原料主要有以下几种液体及气体，如表所示。 TEOS，TEB以及TEPO在常温下是液态，需要经过注射阀气化，影响液体气化的主要参数为注射阀温度及载气（氦气，或者氦气和氮气的混合气体）的流量和流速。反应气体随载气进入反应腔后在高温（～480℃）下发生热分解与臭氧（O3）分解生成的氧自由基在一定压力（200Torr-600Torr）下反应生成BPSG薄膜。 在反应腔内新生成的BPSG薄膜十分疏松，器件孔洞通常并没有完全闭合，需要经过退火工序，在高温下（750-1100℃），在通氮气或蒸汽的环境中BPSG薄膜象液体一样的流动，使孔洞完全闭合，同时薄膜结构更加致密。通过调节压力以及O3的浓度，可以调控BPSG薄膜的填孔能力。压力越高，O3浓度越高，填孔能力越好。目前比较先进的SA-BPSG薄膜工艺是采用两步合成的方法(见图)。第一步主要是为了获得较好的填孔效果，采用较高压力和较高的O3浓度（600Torr/17％O3浓度）以及较低气体流量，这一步的沉积速度非常慢，可以是普通BPSG薄膜沉积速度的1/10；而第二步主要是为了提高生产量，而采用普通的BPSG薄膜工艺（200Torr/12.5% O3浓度）。 随着半导体器件的尺寸越来越小，半导体器件所能承受的热总量也越来越低。所以BPSG薄膜的退火温度也随之降低。 通过提高BPSG薄膜的硼磷杂质浓度，可以有效的降低退火温度。但是硼磷杂质的浓度超过一定范围，比如杂质总含量占到重量百分比10％以上，杂质就会不断扩散析出，薄膜吸水性增强，造成严重的工艺问题，从而影响器件的性能。所以对于要求极低热总量的工艺, SA-BPSG薄膜就不再适用于PMD。在65纳米及以下技术中，目前替代SA-BPSG薄膜作为PMD的介电质主要是高密度等离子体工艺制备的磷硅玻璃（HDP-PSG）以及HARP。HARP是应用材料公司新近推广的一种无掺杂硅玻璃（USG）薄膜,在45纳米以及32纳米技术的STI及PMD的研发中被广泛采用。但SA-BPSG作为一种成熟的工艺在0.18微米到90纳米的技术范围尤其是DRAM产品的PMD中仍然占有最大的市场份额。 (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (3/12/2007)